Nghiên cứu điều khiển tốc độ, vị trí và đảo chiều động cơ tuyến tính theo phương pháp điều chế độ rộng xung ứng dụng trong hệ chuyển động thẳng

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------o0o-----------------

NGUYỄN NGỌC QUYẾT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ, VỊ TRÍ VÀ
ĐẢO CHIỀU ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH THEO
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG ỨNG
DỤNG TRONG HỆ CHUYỂN ĐỘNG THẲNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. CAO XUÂN TUYỂN

THÁI NGUYÊN, 2016


ii

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Ngọc Quyết
Sinh ngày 06 tháng 01 năm 1981.
Học viên lớp cao học khóa 16 CHTĐH – Trường đại học kỹ thuật công nghiệp
Thái Nguyên
Sau hai năm học và nghiên cứu tại trường tôi lựa chọn thực hiện đề tài:
“Nghiên cứu điều khiển tốc độ, vị trí và đảo chiều động cơ tuyến tính theo
phương pháp điều chế độ rộng xung ứng dụng trong hệ chuyển động thẳng”

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung luận văn này là do chính bản thân tôi thực
hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Cao Xuân Tuyển tất cả tài liệu đều có
nguồn gốc, xuất sứ rõ ràng.
Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn như nội dung trong đề
cương của thầy hướng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung luận văn, tôi xin hoàn
toàn chịu mọi trách nhiệm với lời cam đoan của mình.
Thái nguyên, ngày......tháng ......năm 2016
Học viên

Nguyễn Ngọc Quyết


iii

LỜI CẢM ƠN
Học viên bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS. Cao Xuân Tuyển đã tận
tình chỉ bảo, hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi và động viên trong suốt
quá trình hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo Trường Đại học kỹ thuật công
nghiệp Thái Nguyên đã nhiệt tình chỉ dẫn, gúp đỡ trong quá trình học tập để hoàn
thành luận văn.
Cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viện, giúp đỡ về mọi mặt trong thời gian
qua để luận văn hoàn thành đúng tiến độ.
Mặc dù đã cố gắng, song do điều kiện về thời gian và kinh nghiệm thực tế còn
nhiều hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy tôi rất mong nhận được sự
đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như bạn bè đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái nguyên, ngày....tháng....năm 2016
Học viên

Nguyễn Ngọc Quyết


iv

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... iii
MỤC LỤC................................................................................................................ iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................. vii
DANH MỤC HÌ NH VẼ VÀ ĐỒ THI .....................................................................
ix
̣
PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................................1
1. Tính cấ p thiế t của đề tài .....................................................................................1
2. Ý nghiã khoa ho ̣c và thực tiễn của đề tài ...........................................................2
3. Mu ̣c tiêu, đố i tươ ̣ng và pha ̣m vi nghiên cứu ......................................................2
4. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................2
5. Nô ̣i dung của luâ ̣n văn .......................................................................................3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH ....................................4
1.1 Cấ u ta ̣o, nguyên lý làm viê ̣c của đô ̣ng cơ tuyế n tính .......................................4
1.1.1 Các da ̣ng cấ u ta ̣o của đô ̣ng cơ tuyế n tính .................................................5
1.1.2 Nguyên lý làm viêc̣ của đô ̣ng cơ tuyế n tính .............................................7
1.1.3 Hiệu ứng đầu cuối (End effect).................................................................9
1.2 Khả năng ứng du ̣ng của đô ̣ng cơ tuyế n tính trong thực tế .............................11
CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH .........................15
2.1 So sánh giữa động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐB-KTVC) và động cơ
tuyế n tính kiểu đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐCTT ĐB-KTVC) ......................15
2.1.1 Nguyên lý làm việc .................................................................................15

v

2.1.2 Hệ tọa độ biểu diễn đại lượng vật lý ĐCĐB- KTVC .............................16
2.2 Mô hình toán học đối tượng MĐĐB-KTVC .................................................16
2.2.1

Biểu diễn vector không gian các đại lượng 3 pha..............................16

2.2.2

Mô hình trạng thái liên tục của MĐĐB-KTVC. ................................21

2.2.3 Mô hình toán học động cơ tuyế n tính kiểu đồng bộ kích thích vĩnh cửu
(ĐCTT-ĐBKTVC). ..........................................................................................24
2.2.4 Mô hình ĐCTT loại ĐB - KTVC có xét đến hiệu ứng đầu cuối ............25
CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH THEO PHƯƠNG PHÁP
ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG ...............................................................................29
3.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM ...................................................29
3.2 Thiết kế bộ điều khiển....................................................................................34
3.2.1 Thiế t kế bô ̣ điề u khiể n nghich
̣ lưu phía lưới ...........................................35
3.2.1.1 Mô hin
̀ h toán ho ̣c khố i nghích lưu phía lưới ...................................35
3.2.1.2 Thiế t kế bô ̣ điề u khiể n nghich
̣ lưu phía lưới ....................................40
3.2.2 Thiết kế bộ điều khiển NLĐC theo phương pháp Tuyến tính hóa chính
xác ....................................................................................................................42
3.3 TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN PI (Mạch vòng dòng điện và vận tốc)
..............................................................................................................................48

3.3.1 Tổng hợp mạch vòng ĐC vector dòng điện ............................................48
3.3.2 Tổng hợp vòng ĐC vận tốc ....................................................................49
3.3.3 Tổng hợp vòng ĐC vị trí ........................................................................52
CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM .......................................................55


vi

4.1 Sơ đồ mô phỏng .............................................................................................55
4.1.1 Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống ...............................................................55
4.1.2 Sơ đồ Simulink bô ̣ điề u khiể n tố c đô ̣ theo phương pháp PI thường...........55
4.1.3 Sơ đồ Simulink bô ̣ điề u khiể n vi ̣trí theo phương pháp PD thường .......56
4.2 Kết quả mô phỏng ..........................................................................................56
4.2.1 Kết quả mô phỏng điề u chỉnh vi ̣trí theo chiề u thuâ ̣n .............................56
4.2.2 Kế t quả mô phỏng vi tri
̣ ́ theo chiề u ngươ ̣c .............................................58
4.2.3 Kế t quả mô phỏng điề u chỉnh vâ ̣n tố c theo chiề u thuâ ̣n .........................61
4.3.2 Kết quả thí nghiệm ..................................................................................65


vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiê ̣u
Đơn vi ̣ Ý nghiã
Lsd, Lsq

H

Điê ̣n cảm stator do ̣c tru ̣c và ngang tru ̣c

m

kg

Khố i lượng rotor

V,A

Vector điêṇ áp stator, dòng điê ̣n stator

v

m/s

Vâ ̣n tố c cơ của đô ̣ng cơ

Rs



Điê ̣n trở stator

isd,isq

A

Thành phầ n dòng điêṇ tru ̣c dq

usd,usq

V

Thành phầ n điêṇ áp tru ̣c dq



mm

Bước cực

u s, i

s

Số đôi cực

p

p

Wb

Từ thông cực

x

mm

Vi ̣trí đô ̣ng cơ tuyế n tính

A

Vector dòng rotor, dòng stator, dòng phía lưới

i r , i s, i

N

u r , u s, u N V

Vector điêṇ áp rotor, điêṇ áp stator, điê ̣n áp lưới


viii

CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viế t tắt

Ý nghiã

ĐB - KTVC

Đồ ng bô ̣ kích thić h viñ h cửu

ĐCTT ĐC – KTVC

Động cơ tuyế n tính đồ ng bô ̣ kích thích viñ h cửu

MĐ

Máy điê ̣n

PWM

Điề u chế độ rộng xung

ĐKD

Điề u khiể n dòng

NLPL

Nghich
̣ lưu phía lưới

NLĐC

Nghich
̣ lưu động cơ

DSP

Vi xử lý tín hiê ̣u số


ix

DANH MỤC HÌ NH VẼ VÀ ĐỒ THI ̣
Hình 1. 1 Nguyên lý chuyể n đổ i từ đô ̣ng cơ quay sang đô ̣ng cơ tuyế n tính .............4

Hình 1. 2 Phân loa ̣i đô ̣ng cơ tuyế n tính theo [10] ......................................................5
Hình 1. 3 Đô ̣ng cơ tuyế n tính có stator da ̣ng răng lươ ̣c .............................................5
Hình 1. 4 Đô ̣ng cơ tuyế n tính có stator dài ................................................................6
Hình 1. 5 Đô ̣ng cơ tuyế n tính có stator ngắ n .............................................................6
Hình 1. 6 Đô ̣ng cơ tuyế n tính 1 tru ̣c ..........................................................................6
Hình 1. 7 Đô ̣ng cơ tuyế n tính 2 tru ̣c ..........................................................................6
Hình 1. 8 Chiề u chuyể n đô ̣ng của từ trường và phầ n đô ̣ng .......................................9
Hình 1. 9 Phân bố từ thông bên trong đô ̣ng cơ tuyế n tính .......................................10
Hình 1. 10 Hiêụ ứng dòng xoáy và từ thông khe hở không khí ..............................10
Hình 1. 11 Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất kính ...........................................11
Hình 1. 12 Ứng dụng trong giao thông vận tải ........................................................12
Hình 1. 13 Ứng dụng trong hệ thống điều khiển rô bốt...........................................12
Hình 1. 14 Ứng dụng trong máy khoan CNC ..........................................................13
Hình 1. 15 Ứng dụng trong máy CNC .....................................................................13
Hình 1. 16 Ứng dụng trong máy phay CNC ............................................................13
Hình 2. 1 Biể u diễn các đa ̣i lươ ̣ng vâ ̣t lý thông qua hê ̣ tru ̣c to ̣a đô ̣ trong ĐCTT kiể u
ĐB– KTVC 3 pha ....................................................................................................16
Hình 2. 2 Xây dựng vector không gian dòng stator từ các đại lượng pha ...............17
Hình 2. 3 Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng vector không gian trên hệ tọa độ

 ............................................................................................................................18


x

Hình 2. 4 Vector dòng stator trên 3 hệ tọa độ αβ, ab và dq .....................................19
Hình 2. 5 Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian bất kỳ V ..................................20
Hình 2. 6 Mô tả ảnh hưởng của hiệu ứng đầu cuối đối với ĐCTT loại ĐBKTVC .26
Hình 2. 7 a. Cấu trúc ĐCTT loại ĐB - KTVC, b. Mạch từ tương đương mô tả ảnh
hưởng của hiệu ứng đầu cuối ...................................................................................27

Hình 3. 1 Sơ đồ mạch động lực và điều khiển mạch vòng dòng điện theo phương
pháp điều chế độ rộng xung .....................................................................................29
Hình 3. 2 Nguyên lý phương pháp điều chế độ rộng xung. .....................................30
Hình 3. 3 mô tả hình dáng tín hiệu trong bộ nghịch lưu áp ba pha .........................31
Hình 3. 4 khâu khuếch đại nối tiếp với một khâu hạn chế điện áp.........................34
Hình 3. 5 Sơ đồ cấ u trúc điề u khiể n đô ̣ng cơ tuyế n tiń h .........................................35
Hình 3. 6 Sơ đồ nguyên lý nghich
̣ lưu phía lưới......................................................35
Hình 3. 7 Sơ đồ tổ ng quát ma ̣ch điê ̣n phía lưới .......................................................36
Hình 3. 8 Sơ đồ thay thế ..........................................................................................36
Hình 3. 9 Sơ đồ tối giản mạch điện phía lưới ..........................................................37
Hình 3. 10 Mô hình gián đoạn phía lưới ..................................................................39
Hình 3. 11 Sơ đồ cấ u trúc bô ̣ điề u chin̉ h dòng phía lưới .........................................40
Hình 3. 12 Cấ u trúc điề u khiể n tuyế n tính phía lưới ...............................................42
Hình 3. 13 Sơ đồ điều khiển NLĐC ........................................................................43
Hình 3. 14 Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện theo phương pháp tuyến tính hóa
chính xác ..................................................................................................................48
Hình 3. 15 Sơ đồ cấu trúc vòng ĐC dòng điện ........................................................48


xi

Hình 3. 16 Sơ đồ hai vòng ĐC thay thế tương đương .............................................49
Hình 3. 17 Sơ đồ cấu trúc hệ thống ĐC vận tốc ĐC TT ........................................50
Hình 3. 18 Sơ đồ thay thế (cấu trúc ở hình 3.17) khi thiết kế khâu ĐC tốc độ quay
ĐCTT .......................................................................................................................50
Hình 3. 19 Sơ đồ cấ u trúc điề u khiể n nghich
̣ lưu phía lưới và nghich
̣ lưu phía đô ̣ng
cơ tuyế n tin

́ h .............................................................................................................54

Hình 4. 1 Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống ................................................................55
Hình 4. 2 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển tốc độ .....................................................55
Hình 4. 3 Sơ đồ khố i Simulink bô ̣ điề u khiể n vi ̣trí theo phương pháp PD thường 56
Hình 4. 4 Kế t quả mô phỏng vi tri
̣ ́ theo chiề u thuâ ̣n................................................56
Hình 4. 5 Kế t quả mô phỏng tố c đô ̣ theo chiề u thuâ ̣n .............................................56
Hình 4. 6 Đă ̣c tin
́ h lực điê ̣n từ theo chiề u thuâ ̣n ......................................................57
Hình 4. 7 Đă ̣c tính dòng điê ̣n theo chiề u thuâ ̣n .......................................................57
Hình 4. 8 Kế t quả mô phỏng điêṇ áp theo chiề u thuâ ̣n............................................58
Hình 4. 9 Kế t quả mô phỏng vi tri
̣ ́ theo chiề u ngươ ̣c ..............................................58
Hình 4. 10 Kế t quả mô phỏng tố c đô ̣ theo chiề u ngươ ̣c ..........................................59
Hình 4. 11 Đă ̣c tính lực điêṇ từ theo chiề u ngươ ̣c ...................................................59
Hình 4. 12 Đă ̣c tin
́ h dòng điêṇ theo chiề u thuâ ̣n .....................................................60
Hình 4. 13 Kế t quả mô phỏng vâ ̣n tố c theo chiề u thuâ ̣n..........................................61
Hình 4. 14 Kế t quả mô phỏng lực điêṇ từ chiề u thuâ ̣n ............................................61
Hình 4. 15 Kế t quả mô phỏng dòng điê ̣n chiề u thuâ ̣n .............................................62


xii

Hình 4. 16 Kế t quả mô phỏng tố c đô ̣ theo chiề u ngươ ̣c ..........................................62
Hình 4. 17 Kế t quả dòng điêṇ chiề u ngươ ̣c .............................................................63
Hình 4. 18 Kế t quả mô phỏng lực điêṇ từ chiề u ngươ ̣c ...........................................63
Hình 4. 19 Hình ảnh máy hiện sóng ........................................................................64
Hình 4. 20 Hình ảnh biến tần ...................................................................................64

Hình 4. 21 Hình ảnh động cơ tuyến tính ..................................................................64
Hình 4. 22 Hình ảnh mạch điều khiển .....................................................................64
Hình 4. 23 Hình ảnh tổng thể hệ thống thí nghiệm .................................................64
Hình 4. 24 Hệ thống vi điều khiển ...........................................................................64
Hình 4. 25 Sơ đồ nguyên lý cấ u trúc ma ̣ch điề u khiể n hê ̣ thố ng thí nghiê ̣m...........65
Hình 4. 26 Tăng dần dòng điện đầu vào biến tần tăng từ 0-:-1,2 Hz ......................65
Hình 4. 27 Dòng điện đầu vào biến tần ổn định 1,2 Hz ..........................................65
Hình 4. 29 Dòng điện giảm từ 2-:-1,2 Hz ................................................................65
Hình 4. 28 Dòng điện giảm từ 2-:-0 Hz ...................................................................65
Hình 4. 31 Dòng điện dây vào động cơ ổn định1,6 Hz và giảm về 0 ......................66
Hình 4. 30 Dòng điện dây vào động cơ từ 0 - 1,6 Hz ..............................................66
Hình 4. 33 Dòng điện dây vào động cơ tăng từ 0 - 1,6 Hz giảm về 1,2 Hz ............66
Hình 4. 32 Dòng điện dây vào động cơ khi tần số tăng từ 0 đến 1,6 Hz ................66
Hình 4. 35 Dòng điện dây có tần số từ 0-1,6 Hz giảm về 0 ....................................66
Hình 4. 34 Dòng điện dây vào động cơ có tần số ổn định 1,2 Hz ..........................66
Hình 4. 37 Điện áp đặt vào động cơ tăng dần 0-1,2 Hz..........................................66


xiii

Hình 4. 36 Điện áp đặt vào động cơ tăng dần 0-1,2 Hz..........................................66
Hình 4. 39 Vâ ̣n tố c của đô ̣ng cơ ở tầ n số 1,8 Hz .....................................................66
Hình 4. 38 Vâ ̣n tố c của đô ̣ng cơ ở tầ n số 1,8 Hz tải thế năng .................................66


1

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấ p thiế t của đề tài
Hiện nay trong lĩnh vực công nghiệp và giao thông vận tải, chuyể n đô ̣ng

thẳ ng đã xuất hiện phổ biến và được ứng dụng nhiều trong các ngành sản xuất
công nghiệp đă ̣c biêṭ trong trong liñ h vực cơ khí. Chuyể n đô ̣ng thẳ ng thường
gặp ở những chuyể n dich
̣ của bàn gá chi tiế t, mũi khoan… trong các máy gia
công kim loại, máy CNC, Robot công nghiệp hay các máy móc phu ̣c vụ ngành
công nghiệp bán dẫn…. Ngoài ra, chuyể n đô ̣ng thẳ ng còn xuấ t hiêṇ ở các
phương tiêṇ giao thông như đầ u máy xe điê ̣n, tàu điê ̣n ngầ m, tàu đê ̣m từ trường
ở các nước phát triể n (My,̃ Đức, Nhâ ̣t,…).
Tuy nhiên viê ̣c ta ̣o ra các chuyể n đô ̣ng thẳ ng hầ u hế t đươ ̣c thưc̣ hiê ̣n mô ̣t
cách gián tiế p thông qua các cơ cấu cơ khí để biến chuyển động quay tròn của
động cơ thành chuyển động thẳng do đó đố i với những hê ̣ thố ng này do phải
bổ sung các cơ cấ u chuyể n đổ i trung gian như hô ̣p số , tru ̣c vít, đai truyề n… vì
vậy sẽ làm cho hê ̣ thố ng trở nên phức ta ̣p về kế t cấ u cơ khí, tiề m ẩ n trong nó
những dao động riêng, tổn hao năng lươ ̣ng cũng như ảnh hưởng đế n chấ t lươ ̣ng
của hệ thố ng. Viê ̣c sử du ̣ng đô ̣ng cơ có khả năng tạo ra chuyể n đô ̣ng thẳ ng trư ̣c
tiế p (động cơ tuyế n tính) với ưu điểm Động cơ có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo,
không cần cơ cấu cơ khí đổi từ chuyển động quay sang chuyển động tịnh tiến, có
độ tin cậy và chính xác cao, đơn giản và an toàn trong vận hành cho phép loa ̣i
bỏ những nhươ ̣c điể m nói trên.
Vấ n đề rấ t quan tro ̣ng đố i với hê ̣ chuyể n đô ̣ng sử du ̣ng đô ̣ng cơ tuyế n
tính là đô ̣ chính xác về vi ̣ trí, vâ ̣n tố c, thời gian đáp ứng, thời gian dừng chính
xác. Để giải quyế t bài toán này cầ n phải thiế t kế bô ̣ điề u khiể n cho đô ̣ng cơ
tuyế n tính. Vì vâ ̣y, tôi lưạ cho ̣n đề tài “Nghiên cứu điề u khiể n tố c đô ̣, vi tri
̣ ́ và
đảo chiề u đô ̣ng cơ tuyế n tính theo phương pháp điề u chế độ rộng xung ứng
du ̣ng trong hê ̣ chuyể n đô ̣ng thẳ ng”.


2

2. Ý nghiã khoa ho ̣c và thư ̣c tiễn của đề tài
- Đã ứng du ̣ng phương pháp điề u khiể n TTHCX để thiế t kế bô ̣ điề u điề u
khiể n dòng điê ̣n, tố c đô ̣ và vi ̣ trí đô ̣ng cơ tuyến tính theo tiêu chuẩn môđun đố i
xứng.
- Đã thực hiê ̣n bằ ng thực nghiê ̣m viê ̣c điề u khiể n tố c đô ̣, vi ̣ trí và đảo
chiề u đô ̣ng cơ tuyế n tính với các chế đô ̣ khác nhau.
3. Mu ̣c tiêu, đố i tươ ̣ng và pha ̣m vi nghiên cứu
* Mục tiêu nghiên cứu:
- Thiế t kế đươ ̣c bô ̣ điề u khiể n dòng điê ̣n, bô ̣ điề u khiể n tố c đô ̣, bô ̣ điề u
khiể n vi ̣ trí để từ đó điều khiể n tố c đô ̣, vi ̣ trí và đảo chiề u đô ̣ng cơ tuyế n tính
ứng dụng trong hê ̣ chuyể n đô ̣ng thẳ ng.
- Tiế n hành xây dư ̣ng hê ̣ thố ng thí nghiê ̣m đô ̣ng cơ tuyế n tính đồ ng thời
tiế n hành thí nghiê ̣m ở các chế đô ̣ làm viê ̣c khác nhau để kiể m nghiê ̣m la ̣i
những tính toán, phân tích lý thuyế t.
* Đố i tượng nghiên cứu:
- Các phương pháp điề u khiể n đô ̣ng cơ tuyế n tính.
- Đô ̣ng cơ tuyế n tính.
* Pha ̣m vi nghiên cứu:
Luâ ̣n văn tập trung nghiên cứu điều khiển tốc đô ̣, vi ̣ trí và đảo chiề u
đô ̣ng cơ tuyế n tính loa ̣i đồ ng bộ kích thích viñ h cửu ba pha.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp phân tích và tổ ng hơ ̣p lý thuyế t: Nghiên cứu các tài liê ̣u
liên quan đế n luâ ̣n văn, chọn lọc các kiế n thức, lí luâ ̣n phu ̣c vu ̣ cho luâ ̣n văn.
- Phương pháp mô phỏng: Thực hiêṇ các mô phỏng trên phầ n mề m
Matlab/Simulinks.


3

- Phương phá p thư c̣ nghiê ̣m khoa ho ̣c: Tiế n hà nh thí nghiê ̣m trên hê ̣

thố ng thí nghiê ̣m động cơ tuyến tính để kiể m chứ ng la ̣i nhữ ng phân tích lý
thuyế t.
5. Nô ̣i dung của luâ ̣n văn
Nô ̣i dung của luâ ̣n văn bao gồ m:
Mở đầ u: Nêu mu ̣c tiêu, nhiê ̣m vu ̣ và nô ̣i dung nghiên cứu. Ý nghiã khoa
ho ̣c và thưc̣ tiễn của luâ ̣n văn.
Chương 1: Tổ ng quan về đô ̣ng cơ tuyế n tính
Chương 2: Mô hình toán ho ̣c đô ̣ng cơ tuyế n tính
Chương 3: Điề u khiể n tố c đô ̣, vi ̣ trí và đảo chiề u đô ̣ng cơ tuyế n tính theo
phương pháp điề u chế độ rộng xung
Chương 4: Mô phỏng và thí nghiê ̣m
Kế t luâ ̣n và kiế n nghi ̣
Tài liê ̣u thao khảo


4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH
1.1 Cấ u ta ̣o, nguyên lý làm viêc̣ của đô ̣ng cơ tuyế n tính
Để hiểu rõ hơn về động cơ tuyến tính ta có thể hình dung ra một động cơ
quay tròn bất kỳ nào, khi tăng bán kính của động cơ đến vô cùng, sẽ thu được
hình ảnh rotor và stator song song với nhau (hình 1.1). Trong chuyển động
tương đối khi chọn gốc tọa độ gắn với hệ quy chiếu nào ta sẽ suy ra được
chuyển động tương đối của thành phần còn lại so với gốc tọa độ. Với quan điểm
như vậy động cơ tuyến tính sẽ gồm hai thành phần: Thành phần thứ nhất nhận
dòng năng lượng điện đi tới (phần sơ cấp), thành phần thứ hai là dòng năng
lượng đưa ra dưới dạng cơ năng (phía thứ cấp). Từ quan điểm trên ta có thể thấy
với động cơ tuyến tính phần tạo chuyển động thẳng có thể là phần stator hay
phần rotor của máy điện quay truyền thống, từ đó tạo ra những động cơ tuyến
tính tương ứng.

Hình 1. 1 Nguyên lý chuyể n đổ i từ đô ̣ng cơ quay sang đô ̣ng cơ tuyế n tiń h

Từ nguyên lý cơ bản trên, động cơ tuyến tính được phát triển với cấu tạo
khác nhau tương ứng dựa vào mục đích sử dụng. Việc lựa chọn động cơ tuyến
tính phụ thuộc vào thuộc tính và nguyên tắc hoạt động của chúng.
Ban đầu động cơ tuyến tính chủ yếu được sử dụng cho hệ thống giao
thông vận tải. Hiện nay động cơ tuyến tính được sử dụng để thay thế một hệ
thống sử dụng động cơ quay và các thiết bị cơ khí để tạo ra một chuyển động
tuyến tính trực tiếp.


5

1.1.1 Các da ̣ng cấ u ta ̣o của đô ̣ng cơ tuyế n tính
Theo cấu trúc hình ho ̣c, đô ̣ng cơ tuyế n tính đươ ̣c chia thành 2 loa ̣i chính:
da ̣ng phẳng và dạng ố ng.
Theo nguồn kích thích, đô ̣ng cơ tuyế n tiń h có thể chia thành 4 loại chính:
Đô ̣ng cơ mô ̣t chiề u tuyến tính, đô ̣ng cơ đồ ng bô ̣ tuyế n tính, đô ̣ng cơ không đồ ng
bô ̣ tuyế n tính, động cơ bước tuyến tính.

Hình 1. 2 Phân loại động cơ tuyế n tính theo [10]

Ngoài ra, thực tế cho thấ y tùy theo những ứng du ̣ng cu ̣ thể mà đô ̣ng cơ
tuyế n tính còn đươ ̣c phân loa ̣i như sau:
- Động cơ có stator da ̣ng răng lươ ̣c.

Hình 1. 3 Động cơ tuyế n tính có stator dạng răng lược

- Đô ̣ng cơ cơ stator da ̣ng dài: Chiều dài của phần cung cấp thường lớn

hơn nhiều lần phần kích thích (cảm ứng), đa số trong các trường hợp thì phần
kích thích chính là phần chuyển động.


6

Hình 1. 4 Động cơ tuyế n tính có stator dài

- Động cơ có stator da ̣ng ngắ n: Chiều dài của phần cung cấp ngắn hơn
(hoặc bằng) phần kích thích (cảm ứng), đa số trong các trường hợp thì phần
cung cấp chính là phần chuyển động.

Hình 1. 5 Động cơ tuyế n tính có stator ngắ n

Dựa vào số tru ̣c di chuyể n, động cơ tuyế n tính có hai loa ̣i:
- Loại 1 tru ̣c.

Hình 1. 6 Động cơ tuyế n tính 1 trục

- Loa ̣i 2 tru ̣c.

Hình 1. 7 Động cơ tuyế n tính 2 trục


7

Để kết thúc phần này, theo tài liệu [11] ta có bảng so sánh tổng thể lực
đẩy sinh ra của các loại động cơ tuyến tính có thể sinh ra.
Bảng 1.1. Bảng so sánh lư ̣c đẩ y sinh ra của các loa ̣i đô ̣ng cơ tuyế n tính
Loại động cơ

Lực đẩ y sinh ra

Động cơ tuyến tính loại không đồng bộ

1 - 2 N/cm2

Động cơ tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu (kiểu răng Lên đến 6 N/cm2
lược)
Động cơ tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu (dạng Lên đến 3 N/cm2
phẳng)
Động cơ tuyến tính từ trở

1,5 N/cm2

Động cơ tuyến tính thông lượng ngang

3 N/cm2

Xét về khả năng tạo lực đẩy thì động cơ tuyến tính làm việc theo nguyên
lý đồng bộ kích thích vĩnh cửu có khả năng tạo lực đẩy lớn hơn động cơ tuyến
tính làm việc với nguyên lý không đồng bộ. Do vậy động cơ tuyến tính dạng
đồng bộ kích thích vĩnh cửu thường được sử dụng nhiều hơn. Luâ ̣n văn tâ ̣p trung
nghiên cứu đô ̣ng cơ tuyế n tin
́ h kiể u kích thích viñ h cửu ba pha.
1.1.2 Nguyên lý làm viêc̣ của đô ̣ng cơ tuyế n tính
Xét đô ̣ng cơ tuyế n tính kích thích vĩnh cửu, khi đặt hệ thống điện áp
nguồn 3 pha đối xứng vào dây quấn ba pha của động cơ đồng bộ tuyến tính,
trong ba pha sẽ có các dòng điện iA, iB, iC.
iA  2 I sin t

(1.1a)

2 

iB  2 I sin  t 

3 


(1.1b)

4 

iC  2 I sin  t 

3 


(1.1c)


8

Dòng các pha sẽ sinh ra các sức từ động tương ứng có dạng đập mạch:
dx 
 
dt 
FA 



v 1,3,5

(1.2)
Ffmv sin t cos v


x


(1.3a)

FB 



2

Ffmv sin  t 
3

v 1,3,5

2 


 cosv  x 

3 




(1.3b)

FC 

4

Ffmv sin  t 
3

v 1,3,5

4 


 cosv  x 

3 



(1.3c)



ds
v
dt

(1.4)

Sức từ động tổng ba pha trong khe hở không khí giữa phần cố định và
phần chuyển động sẽ là:
F(3)  FA  FB  FC 



Ffmv sin  t  v


v 6 k 1




x


(1.5)

Ở đây ta chỉ xét sóng cơ bản của từ trường ba pha:
F

3


Ffm sin  t 
2




Trongđó:


x


3
3 2 w. k dq
Ffm 
.I
2

p

(1.6)

(1.7)

W: Số vòng dây của một pha.
Kdq : Hệ số dây quấn sóng cơ bản.
Từ trường chuyển động tịnh tiến F sẽ tương tác với từ trường nam châm
vĩnh cửu FNC , do nam châm vĩnh cửu được đặt ở phần cố định, phản lực sẽ làm
phần động (gồm lõi thép và dây quấn) chuyển động tịnh tiến theo chiều ngược
với chiều chuyển động của từ trường F với tốc độ chuyển động là:


9

dx 
 
dt 

(1.8)

Hình 1. 8 Chiề u chuyể n động của từ trường và phầ n động

Về mă ̣t năng lươ ̣ng đô ̣ng cơ đã biế n đổ i điê ̣n năng thành cơ năng.
1.1.3 Hiệu ứng đầu cuối (End effect)
Như đã phân tích trong các phần trên động cơ tuyến tính có những nét
tương đồng so với những động cơ quay tương ứng phát triển nên nó, nhưng
trong đó còn những điểm khác biệt do cấu tạo khác biệt của hai loại đô ̣ng cơ
quay và động cơ tuyế n tin
́ h. Một khác biệt cơ bản ở đây chính là hiệu ứng đầu
cuối ở động cơ tuyến tính (End effect) mà động cơ quay không có.
Hiện tượng đầu cuối trong động cơ tuyến tính có thể được hiểu như sau:
đó là sự phân biệt giữa các khu vực đầu và cuối với các điểm nằm giữa về diễn
biến điện từ gây ảnh hưởng đến từ thông và lực do động cơ tuyến tính sinh ra
(do tính chất mạch từ hở của động cơ tuyến tính). Điều này làm thay đổi quan
điểm giả thiết về sức từ động hình sin trong động cơ quay truyền thống.
Có ba vấ n đề cần đặc biệt lưu tâm về hiệu ứng đầu cuối:
- Thứ 1: Với động cơ tuyến tính dạng không đồng bộ ngoài hiệu ứng đầu
cuối (điểm đầu và điểm cuối phần kích thích) còn có sự ảnh hưởng về từ trường
ở hai biên. Còn ở động cơ tuyến tính dạng đồng bộ chỉ chịu tác động của hiệu


10

ứng đầu cuối. Vì vậy với động cơ tuyến tính dạng không đồng bộ chịu tác động
của hiệu ứng đầu cuối mạnh hơn.
- Thứ 2: Tại điểm đầu và điểm cuối của phần kích thích từ thông sinh ra
bị ảnh hưởng bởi dòng xoáy phía thứ cấp (ĐCTTKĐB) làm ảnh hưởng đến từ
trường khe hở không khí phân bố tại điểm đầu và điểm cuối của phần kích thích.
Diễn biến này khác nhau phụ thuộc vào tốc độ của động cơ ( độ lớn của dòng
phía bên kích thích).
- Thứ 3: Sự xuất hiện hay kết thúc đột ngột của dòng xoáy phía cảm ứng
(tương ứng với sự xuất hiện hay kết thúc của dòng phía kích thích). Gây ra phản
ứng dọc trục gây ra sự thay đổi tốc độ của động cơ (nhấp nhô về tốc độ). Đây
cũng là một điểm rất đáng chú ý trong động cơ tuyến tính.

Hình 1. 9 Phân bố từ thông bên trong động cơ tuyế n tính

Stator ngắn làm việc theo nguyên lý cảm ứng

Hình 1. 10 Hiê ̣u ứng dòng xoáy và từ thông khe hở không khí


11

Hiệu ứng đầu cuối là một điểm đặc trưng của động cơ tuyến tính khác so
với các loại động cơ khác. Trong bài toán điều khiển tốc độ động cơ tuyến tính
thì hiệu ứng đầu cuối (end effect) phải được quan tâm và giải quyết triệt để. Mục
tiêu được đặt ra ở đây là làm rõ tính chất của hiệu ứng đầu cuối xảy ra trong
động cơ tuyến tính.
1.2 Khả năng ứng du ̣ng của đô ̣ng cơ tuyế n tính trong thư ̣c tế
Hiện nay, tại các nước phát triển, giải pháp công nghệ động cơ tuyến tính
được sử dụng rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực, cụ thể:
- Trong công nghiệp sản xuất kính (theo báo điện tử: “Control engineering

urope” />
Hình 1. 11 Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất kính

Hegla GmbH's glass cutting machine uses Bosch Rexroth's IndraDyn L
linear motor
- Trong giao thông vận tải
( theo báo điện tử : />

12

Hình 1. 12 Ứng dụng trong giao thông vận tải

Photo: A Maglev train using linear motor technology. Picture courtesy
of US Department of Energy/Argonne National Laboratory
- X-Y Robot Control Systems
(Theo />
Hình 1. 13 Ứng dụng trong hệ thống điều khiển rô bốt

-Trong máy khoan CNC sử dụng động cơ tuyến tính (Theo nguồn tin từ
trang báo điện tử: />